基于CFD方法對服務器氣流組織的模擬研究

周盈盈 韓冠楠 凌云志

摘? ? 要：基于CFD方法建立了服務器冷卻模型對服務器芯片區(qū)的氣流分布進行了模擬研究。模型采用了風扇單元作為對機柜部分氣流分布進行調節(jié)的熱管理技術。導向單元與冷通道以及風扇送風速度作為風扇單元的重要調節(jié)部分。

關鍵詞：CFD方法;風冷系統(tǒng);振蕩熱管

1? 概況

數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中立的基礎設施，能夠容納大量設備，包括伺服器，數(shù)據(jù)存儲設備和通信設備。這些設備大多高度集成化并安裝在機柜內。服務器日益增長的性能要求及其高度的集成化也導致了每個設備占地面積日益增長的熱負荷。設備運行中將電能完全轉化為熱量并排放到環(huán)境中。因此，服務器電力需求的增長會對現(xiàn)有散熱設施帶來更大的挑戰(zhàn)，因此恰當?shù)臒峁芾聿呗灾陵P重要。

風冷系統(tǒng)被廣泛用于數(shù)據(jù)中心散熱。布置具有熱/冷通道布置的高架地板是數(shù)據(jù)中心最常用的策略。冷卻空氣從空調單元經(jīng)過地板靜壓箱冷卻服務器。冷空氣需要提供足夠的冷量同時，同時需要有保持較好的氣流組織分布以確保服務器可以穩(wěn)定可靠地運行。不良的氣流組織分布會導致散熱的低效性并且產生局部熱點，這是導致元件失效的主要原因。

振蕩熱管是一種新型的熱管，由于其結構簡單，操作靈活，適用性強，已廣泛應用于各種電子設備的冷卻。它也被稱為脈動熱管，由Akachi于20世紀90年代首次引入。震蕩熱管由毛細管制成，毛細管被彎曲成多個回路并注入一定數(shù)量的工質。熱管結構包括三個部分：蒸發(fā)部分，絕熱部分和冷凝部分。工質在蒸發(fā)端受熱蒸發(fā)后經(jīng)由絕熱段在冷凝端放出熱量，形成汽塞液柱交替分布的流體并產生振蕩運動。在這個過程中，風冷系統(tǒng)被廣泛用于熱管冷凝端的散熱過程。

2? 數(shù)值模擬

2.1? 機柜模型

機架級模型是一種簡化模型，它研究單個機架的周邊區(qū)域。它包括地板靜壓箱部分和工作區(qū)部分。工作區(qū)部分包括通道區(qū)域以及服務器區(qū)域。通道區(qū)域可以是熱/冷通道，可以設置不同類型的封閉策略。通道區(qū)域的研究已在參考文獻[1]中進行了討論。靜壓箱部分被簡化為小的腔體，簡化了靜壓箱結構對工作區(qū)的的影響。機架級模型產生可接受的網(wǎng)格尺寸并能減少對大型數(shù)據(jù)中心建模和計算的時間。類似的簡化方法在諸如[2]的研究中發(fā)現(xiàn)是有效的。

2.2? 模型設計

作為設計模型的準則，機構框架和建立的模型。在本文中，機架級模型可分為四個區(qū)域：地板入口區(qū)，機架入口區(qū)，機架出口區(qū)和過道區(qū)。可以在這些區(qū)域中設置不同的單元組合。

安裝的機架高2m，占地面積為0.48m2（600mm×1000mm）。機架包含四個模擬服務器，每個模擬器的高度為10U。

模擬器的前格柵作為入口端，后格柵作為出口端。安裝有四個風扇的背板距離出口格柵為50mm。每個服務器模擬器寬50厘cm，高45cm。模擬器的深度為78cm。所有模擬器都由鋁制隔板隔開。

根據(jù)參考文獻[3]，風扇大多被模擬為具有給定壓力-速率關系的矩形模塊。本文中模擬服務器的所有格柵都被模擬為矩形風口。它們被簡化為全開的孔板，因此可以忽略慣性項的影響。在這種情況下，出口處由四個排風扇風扇組成，每個排風扇作為風扇邊界執(zhí)行，面積為144cm2，深度為4cm。風扇的參數(shù)由MiSUMi公司提供。

地板入口區(qū)設置有軸向風扇單元，其位于距地板面板20cm的位置。每塊活動地板可以用圖1所示的不同類型的導向單元代替。軸流風扇單元的外徑為43.5cm，輪轂直徑為25厘米。模型設置了圓柱狀的流體區(qū)域，深度為20cm。根據(jù)中天公司提供的結構參數(shù)確定準確的風扇模型。軸流風扇的轉速設定為1400rpm。

利用商業(yè)軟件FLUENT 14.5研究了三維非穩(wěn)態(tài)湍流，該軟件基于有限體積法。采用非穩(wěn)態(tài)模型。當流場穩(wěn)定時記錄數(shù)據(jù)。采用壓力-速度耦合模型并采用SIMPLE算法進行計算。 使用具有標準壁面方程以及可靠的k-e湍流模型進行模擬。采用二階迎風方法進行離散化。為入口邊界條件設定沿y軸方向的均勻速度。為出口格柵和出口風設定壓力邊界條件。對計算網(wǎng)格進行了優(yōu)化以滿足精度和計算時間的要求。在各個模型中，優(yōu)化的網(wǎng)格由超過七十萬個節(jié)點組成。最小網(wǎng)格間距為0.001m，最大網(wǎng)格間距為0.05m。

3? 結果分析

總體上熱阻隨著加熱功率的增加而降低。在啟動之前，熱阻的變化范圍很窄，有時甚至會先降低再上升，參考文獻中也報告了相同的結果。同時隨著風速的增加，熱管的熱阻也會降低。當加熱功率較高時，三維振蕩熱管啟動，熱阻隨著加熱功率的增加而降低。隨著風速的增加，熱阻也會增加。可以發(fā)現(xiàn)熱阻和風速之間的關系在不同的加熱功率下具有相關性。

4? 結束語

本文提出了一種用于電子元器件冷卻應用的三維振蕩熱管。研究三維振蕩熱管的氣流組織分布。基于CFD方法建立機架級模型，采用風扇單元作為調節(jié)器，對機柜的氣流組織分布進行了研究。

結果表明，軸流風扇與導向單元結合可以實現(xiàn)定向送風從而改變氣流組織分布。但是，應該考慮以下問題：定向送風會加劇空氣回落問題。而冷通道封閉是一種解決空氣再循環(huán)問題的有效方案，其具有成本低廉的特點。在實際運行中，服務器第三層和第四層被定義為具有較大氣流風速的區(qū)域，并且它們易受到風扇的影響，這應該被考慮在三維振蕩熱管的應用中。

參考文獻：

[1] Niemann J，Brown K，Avelar V.Impact of hot and cold aisle containment on data center temperature and efficiency[J].Schneider Electric Data Center Science Center，White Paper，2011（135）：1～14.

[2] Arghode V K，Kumar P，Joshi Y， et al. Rack level modeling of air flow through perforated tile in a data center[J]. Journal of Electronic Packaging，2013（3）： 30902.

[3] Nelson G M. Development of an experimentally-validated compact model of a server rack[D].Georgia Institute of Technology，2007.